Todo isótopo radiactivo puede ser utilizado como trazador radiactivo del elemento químico al cual pertenece. La única condición exigible es que el isótopo radiactivo esté formando parte de la misma entidad química que el elemento en cuestión; ello obliga, en muchos casos, a realizar operaciones químicas específicas, que se conocen con el nombre de "marcado", para conseguirlo. Hoy en día existen catálogos comerciales de compuestos marcados, como por ejemplo benceno con tritio sustituyendo al hidrógeno, o con carbono-14 sustituyendo al carbono estable; evidentemente, este benceno marcado se comporta del mismo modo que el benceno normal y se utiliza como su trazador radiactivo en múltiples problemas de investigación de química orgánica. A continuación se citan algunos ejemplos del empleo de los trazadores radiactivos en distintas disciplinas:
Agricultura: se pueden estudiar las relaciones nutriente- suelo-planta, con especial referencia a oligoelementos, abonos, insecticidas, ...
Biomedicina: se pueden determinar pequeñísimas concentraciones de enzimas, hormonas, drogas, venenos, etc., mediante la técnica de radinmunoanálisis (RIA), que hace uso de la especificidad de las reacciones antígeno-anticuerpo.
Cronología: se pueden fechar acontecimientos geológicos e históricos, mediante el estudio de los radionucleidos que actúan como relojes atómicos.
Farmacología: se puede estudiar el metabolismo de los fármacos, antes de autorizar su uso público, y de los metabolitos y reacciones secundarias a que dan lugar.
Hidrología: se pueden medir caudales de ríos y de alimentación de turbinas, o fugas en pantanos, dinámica de sedimentos, etc.
Medicina: se puede diagnosticar la enfermedad mediante el uso de radiofármacos que visualizan el estado funcional de órganos específicos: cerebro, tiroides, corazón, pulmón, esqueleto, entre otros, o localizando abscesos y metástasis.
Minería: se puede medir la radiactividad natural del uranio, torio y potasio en los sondeos de prospección, lo que da información respecto a los minerales asociados a estos radielementos.
Como puede observarse, el empleo de los trazadores radiactivos proporciona valiosa información en todos los dominios de la biología.
Agricultura
El uso de trazadores y técnicas isotópicas, constituyen herramientas de gran utilidad para estudiar el movimiento de nutrientes, los procesos erosivos y el aumento de la eficiencia de uso del recurso hídrico en la agricultura. Los radioisótopos constituyen la herramienta por excelencia en todas las ocasiones en que sea necesario colocar una etiqueta a una molécula cuyo destino final se tenga interesen conocer, sea en procesos físicos químicos o biológicos Su aplicación en agricultura tiene los siguientes objetivos:
Obtener cultivos de alto rendimiento y ricos en proteínas.
Producir variedades de cultivos resistentes a las enfermedades.
Seleccionar genotipos de plantas con alta producción y alta eficiencia de uso del agua.
Determinar la eficiencia de absorción de los fertilizantes por los cultivos.
Combatir las plagas de insectos.
Evitar las pérdidas de pos-cosecha.
Mejorar la productividad y sanidad de los animales domésticos.
Prolongar el periodo de conservación de los alimentos
Eficiencia de uso de los fertilizantes
La eficiencia de uso de los fertilizantes nitrogenados en el ciclo de un cultivo, fluctua entre 30 a 50%, ya que gran parte se pierde por volatilización, denitrificación o lixiviación. En este sentido las técnicas isotópicas utilizando fertilizantes nitrogenados marcados con el isotopo estable 15N y la técnica de dilución isotópica de 15N, son fundamentales para estudiar el ciclo del nitrogeno.
El uso de trazadores ( 32P, 33P , 15N) permite monitorizar el momento y la localización de un compuesto en el sistema suelo-planta-agua y determinar la cantidad de nutriente que absorbe la planta y la que se pierde en el medio ambiente. E uso de trazadores también se aplica en el diagnostico de la erosión y en la redistribución del suelo asociada a diferentes practicas de manejo.
Biomedicina
El Radioinmunoanálisis es una técnica inmunológica propuesta en 1959 por Yallow y Berson. Permite la cuantificación exacta de compuestos biológicos presentes en el organismo en concentraciones tan bajas como ng/ml (nanogramo=10-9g) o pg/ml (picogramo=10-12g), incluso hacerlo en mezclas con enormes cantidades y diversidad de materiales extraños, por lo que no es necesario purificar previamente la muestra.
El radioinmunoanálisis se basa en una reacción antígeno-anticuerpo. Los anticuerpos deben ser específicos contra la sustancia que queremos determinar, y tener una gran afinidad. La cantidad de anticuerpo añadida al análisis es limitada, e inferior a la cantidad de antígeno total. Por lo que va a quedar saturado con él. El antígeno es la hormona (de la muestra) que queremos determinar, (antígeno frío).
Además del antígeno (hormona) presente en la muestra problema, se va a añadir una cantidad constante y conocida de antígeno pero marcado (antígeno caliente). Los antígenos marcados se forman sustituyendo algunos de los átomos normales del antígeno por los correspondientes isótopos radiactivos (H 3 =tritio, P 32), o introduciendo radioisótopos extraños en la molécula (yodo=I 125 unido a un resto de TYR).
Los dos tipos de antígenos, frío y caliente, van a competir, en igualdad de condiciones, por unirse con el anticuerpo disponible. Las concentraciones del antígeno marcado y del anticuerpo son constantes, la única variable del sistema es la concentración de antígeno no marcado (muestra problema). Cuanto mayor sea la cantidad de antígeno frío en la muestra problema, este desplazará al antígeno caliente y por tanto se fijarán al anticuerpo cantidades menores de antígeno marcado.
Así pues, la formación de complejos radiactivos (Ag*-Ac) varía en función de la concentración del antígeno no marcado: a mayor concentración de antígeno no marcado, mayor formación de complejos antígeno-anticuerpo no marcados, y menor formación de complejos radiactivos, y viceversa.
Cronología
La datación por radiocarbono es un método dedatación radiométrica que utiliza el isótopo carbono-14 (14C) para determinar la edad de materiales que contienen carbono.
Actualmente se emplean básicamente tres técnicas diferentes para medir el contenido de radiocarbono en una muestra:
Contador proporcional de gas:
El carbono obtenido en la muestra se convierte en CO2 y se introduce en un contador proporcional de gas, mide el número de desintegraciones producidas en la muestra. Tiene el inconveniente de que, dada la baja actividad del 14C y la pequeñísima concentración en la muestra, los contadores actuales sólo son capaces de detectar alrededor de 3 desintegraciones por segundo y mol en una muestra típica. Además es necesario un mayor blindaje del detector para protegerlo de la radiactividad natural.
Contador de centelleo líquido:
En esta técnica, la muestra se disuelve en benceno y sele añade un líquido que centellea cuando se produce una desintegración. Los contadores de centelleo líquido tienen la ventaja de que tienen un rendimiento mayor que los proporcionales de gas. Sin embargo, aún están afectados por el problema de la baja actividad del 14C y de la radiación ambiental.
Espectrometría de masas con acelerador:
La muestra es ionizada e introducida en un acelerador de partículas. El haz resultante es desviado por potentes campos magnéticos. Dado que el cada isótopo de carbono tiene una masa diferente, el ángulo de deflexión es ligeramente diferente para cada uno y es posible medir las concentraciones relativas de cada uno de ellos. Al no depender de la actividad de la muestra y ser insensible a la radiactividad natural, con este método se pueden conseguir las medidas de mayor calidad. Se pueden medir concentraciones de hasta 10-15 y se necesitan muestras mucho más pequeñas (de hasta 1 mg).
Hidrología
Los isótopos se pueden aplica en estudios de Hidrología e Hidrogeología como datadores y/o como trazadores.
Los estudios hidrológicos comprenden, entre otros, la medición del agua caída en forma de lluvia y nieve, las características de los depósitos acuíferos subterráneos, la determinación del flujo de los ríos y arroyos, la medición de pérdidas de agua de presas y la comprensión dinámica de lagos y reservas. En estas investigaciones los análisis isotópicos presentan una ayuda insustituible debido a la información que brindan de los isótopos presentes en el agua y del uso de elementos radioactivos agregados a aquella para un fin específico. Esta técnica consiste en inyectar una cantidad específica de radioisotopos al volumen de agua que queremos estudiar, y posteriormente seguir la pista del elemento radioactivo, a partir de la evolución de la concentración del radioisótopo. En el caso de las aguas subterráneas nos permite conocer el contenido y origen del agua, la velocidad y dirección del flujo, la relación entre el depósito y las aguas superficiales, etc. Uno de los radioisótopos mas usados en estos estudios es el tritio (hidrógeno-3). El estudio de los isótopos naturales naturales presentes en el agua se basa en la capacidad técnica de detectar pequeñísimos cambios en la concentración de deuterio (hidrógeno-2) y oxígeno-18, ambos presentes naturalmente en el agua. Existen varios procesos naturales que afectan a la composición isotópica del agua. Durante la evaporación y condensación del agua, necesaria para la producción de nubes y producción de lluvias, los isótopos más pesados se hacen más escasos. Las moléculas de agua formadas por átomos de isótopos livianos (hidrógeno-1 y oxígeno-16) son más volátiles que aquellas constituidas por isótopos pesados (hidrógeno-2 y oxígeno-18), por lo que el vapor de agua formado en la evaporación de los océanos contiene una fracción menor de de hidrógeno-2 y oxígeno-18 que el agua del mar donde se origina. Como consecuencia de esto, lluvias sucesivas de un mismo vapor de agua original contendrá cada vez menos isótopos pesados. Estas diferencias se pueden medir, y los resultados se usarán para determinar el origen del agua en los acuíferos, identificar conexiones entre lagos y aguas subterráneas, etc. Otro proceso natural que cambia la composición isotópica del agua es la condensación del vapor en diferentes temperaturas y altitudes (el contenido isotópico pesado disminuye con la altura). Esto es muy útil ya que permite identificar la zona de donde proviene el agua de un depósito. Las variaciones observadas son de un 0.3%de disminución de oxígeno-18 y 2.5% de disminución de hidrógeno-2, por cada 100 metros de aumento en la altitud del lugar dónde se produce la condensación.
Medicina
Los trazadores radiactivos pueden ser usados para saber comprobar el funcionamiento de los órganos, o investigar zonas afectadas por alguna enfermedad. Se usan radioisótopos de yoduro de tecnecio. Generalmente se mezcla con drogas que se fijan en partes específicas de nuestro cuerpo. Si se inyecta la droga, entonces el detector registrará la radiación que emite la sustancia depositada en el órgano y podrá estudiarse su estado.
Un claro ejemplo de esto es la Gammagrafía: es una prueba diagnóstica que se basa en la imagen que producen las radiaciones generadas tras la inyección o inhalación en el organismo de sustancias que contienen isótopos radiactivos. La emisión radiactiva es captada por un aparato detector llamado gamma-cámara el cual procesa los datos recibidos que posteriormente y mediante tratamiento informático servirán para formar una imagen tridimensional. La captación diferencial de dichas sustancias por las distintas células o tejidos permite distinguir zonas de diferente perfusíón o captación. Las bases del estudio gammagráfico radican en la utilización de radiotrazadores (o radiofármacos) y el posterior registro de la distribución de éstos en el organismo mediante sistemas de detección. Los radiotrazadores poseen una doble naturaleza; por una parte la molécula posee características que hacen que se distribuya por el organismo de forma específica, pero son los isótopos radiactivos emisores gamma los que permiten su detección, y por tanto la puesta en evidencia del resultado de los procesos que hacen que esta sustancia se deposite en distintas localizaciones. Las gammagrafías son principalmente de dos tipos, gammagrafía con talio-201 y tecnecio-99 unido a pirofosfato. Las primeras se pueden realizar en reposo o en combinación con la prueba de esfuerzo. Puesto que el talio-201 se distribuye por el músculo cardíaco en proporción directa con la cantidad de sangre que le llega, se utiliza principalmente para estudiar la existencia de zonas de isquemia (escaso aporte de sangre al corazón) que pueden producir una angina de pecho o un infarto agudo de miorcadio. Sin embargo el tecnecio-99 unido a pirofosfato se distribuye exclusivamente por el tejido cardíaco muerto tras un infarto y la repercusión que tiene sobre las funciones del corazón.
La fuente más conocida y más amplia es la aplicación médica. Innumerables son los beneficios que reporta el uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos.
Minería
Parte de un registro de radiación gamma
En minería es habitual el uso del perfil de radiación gamma para:
Identificación de estratos cuando la curva de potencial espontáneo (PE) es poco expresiva (formaciones muy resistivas) o francamente aplanada (resistividad del lodo similar a la de la formación) o cuando la curva de PE no se puede registrar (lodos resistivos, pozo entubados, pozos vacíos).
Detección y evaluación de minerales radiactivos como el uranio.
Correlaciones entre pozos entubados,
En reacondicionamiento de pozos viejos (entubados), en cuyo caso se registra simultáneamente con un contador de cuplas (fig. 249), lo que permite colocar con toda precisión los cañones perforadores.
A continuación se citan algunos ejemplos del empleo de los trazadores radiactivos en distintas disciplinas:
Como puede observarse, el empleo de los trazadores radiactivos proporciona valiosa información en todos los dominios de la biología.
Agricultura
El uso de trazadores y técnicas isotópicas, constituyen herramientas de gran utilidad para estudiar el movimiento de nutrientes, los procesos erosivos y el aumento de la eficiencia de uso del recurso hídrico en la agricultura. Los radioisótopos constituyen la herramienta por excelencia en todas las ocasiones en que sea necesario colocar una etiqueta a una molécula cuyo destino final se tenga interesen conocer, sea en procesos físicos químicos o biológicos Su aplicación en agricultura tiene los siguientes objetivos:
La eficiencia de uso de los fertilizantes nitrogenados en el ciclo de un cultivo, fluctua entre 30 a 50%, ya que gran parte se pierde por volatilización, denitrificación o lixiviación. En este sentido las técnicas isotópicas utilizando fertilizantes nitrogenados marcados con el isotopo estable 15N y la técnica de dilución isotópica de 15N, son fundamentales para estudiar el ciclo del nitrogeno.
El uso de trazadores ( 32P, 33P , 15N) permite monitorizar el momento y la localización de un compuesto en el sistema suelo-planta-agua y determinar la cantidad de nutriente que absorbe la planta y la que se pierde en el medio ambiente.
E uso de trazadores también se aplica en el diagnostico de la erosión y en la redistribución del suelo asociada a diferentes practicas de manejo.
Biomedicina
El Radioinmunoanálisis es una técnica inmunológica propuesta en 1959 por Yallow y Berson. Permite la cuantificación exacta de compuestos biológicos presentes en el organismo en concentraciones tan bajas como ng/ml (nanogramo=10-9g) o pg/ml (picogramo=10-12g), incluso hacerlo en mezclas con enormes cantidades y diversidad de materiales extraños, por lo que no es necesario purificar previamente la muestra.
Además del antígeno (hormona) presente en la muestra problema, se va a añadir una cantidad constante y conocida de antígeno pero marcado (antígeno caliente). Los antígenos marcados se forman sustituyendo algunos de los átomos normales del antígeno por los correspondientes isótopos radiactivos (H 3 =tritio, P 32), o introduciendo radioisótopos extraños en la molécula (yodo=I 125 unido a un resto de TYR).
Los dos tipos de antígenos, frío y caliente, van a competir, en igualdad de condiciones, por unirse con el anticuerpo disponible. Las concentraciones del antígeno marcado y del anticuerpo son constantes, la única variable del sistema es la concentración de antígeno no marcado (muestra problema).
Cuanto mayor sea la cantidad de antígeno frío en la muestra problema, este desplazará al antígeno caliente y por tanto se fijarán al anticuerpo cantidades menores de antígeno marcado.
Así pues, la formación de complejos radiactivos (Ag*-Ac) varía en función de la concentración del antígeno no marcado: a mayor concentración de antígeno no marcado, mayor formación de complejos antígeno-anticuerpo no marcados, y menor formación de complejos radiactivos, y viceversa.
Cronología
La datación por radiocarbono es un método dedatación radiométrica que utiliza el isótopo carbono-14 (14C) para determinar la edad de materiales que contienen carbono.
Actualmente se emplean básicamente tres técnicas diferentes para medir el contenido de radiocarbono en una muestra:
- Contador proporcional de gas:
El carbono obtenido en la muestra se convierte en CO2 y se introduce en un contador proporcional de gas, mide el número de desintegraciones producidas en la muestra. Tiene el inconveniente de que, dada la baja actividad del 14C y la pequeñísima concentración en la muestra, los contadores actuales sólo son capaces de detectar alrededor de 3 desintegraciones por segundo y mol en una muestra típica. Además es necesario un mayor blindaje del detector para protegerlo de la radiactividad natural.- Contador de centelleo líquido:
En esta técnica, la muestra se disuelve en benceno y se le añade un líquido que centellea cuando se produce una desintegración. Los contadores de centelleo líquido tienen la ventaja de que tienen un rendimiento mayor que los proporcionales de gas. Sin embargo, aún están afectados por el problema de la baja actividad del 14C y de la radiación ambiental.- Espectrometría de masas con acelerador:
La muestra es ionizada e introducida en un acelerador de partículas. El haz resultante es desviado por potentes campos magnéticos. Dado que el cada isótopo de carbono tiene una masa diferente, el ángulo de deflexión es ligeramente diferente para cada uno y es posible medir las concentraciones relativas de cada uno de ellos. Al no depender de la actividad de la muestra y ser insensible a la radiactividad natural, con este método se pueden conseguir las medidas de mayor calidad. Se pueden medir concentraciones de hasta 10-15 y se necesitan muestras mucho más pequeñas (de hasta 1 mg).Hidrología
Los isótopos se pueden aplica en estudios de Hidrología e Hidrogeología como datadores y/o como trazadores.
Los estudios hidrológicos comprenden, entre otros, la medición del agua caída en forma de lluvia y nieve, las características de los depósitos acuíferos subterráneos, la determinación del flujo de los ríos y arroyos, la medición de pérdidas de agua de presas y la comprensión dinámica de lagos y reservas. En estas investigaciones los análisis isotópicos presentan una ayuda insustituible debido a la información que brindan de los isótopos presentes en el agua y del uso de elementos radioactivos agregados a aquella para un fin específico.
Esta técnica consiste en inyectar una cantidad específica de radioisotopos al volumen de agua que queremos estudiar, y posteriormente seguir la pista del elemento radioactivo, a partir de la evolución de la concentración del radioisótopo. En el caso de las aguas subterráneas nos permite conocer el contenido y origen del agua, la velocidad y dirección del flujo, la relación entre el depósito y las aguas superficiales, etc. Uno de los radioisótopos mas usados en estos estudios es el tritio (hidrógeno-3).
El estudio de los isótopos naturales naturales presentes en el agua se basa en la capacidad técnica de detectar pequeñísimos cambios en la concentración de deuterio (hidrógeno-2) y oxígeno-18, ambos presentes naturalmente en el agua.
Existen varios procesos naturales que afectan a la composición isotópica del agua. Durante la evaporación y condensación del agua, necesaria para la producción de nubes y producción de lluvias, los isótopos más pesados se hacen más escasos. Las moléculas de agua formadas por átomos de isótopos livianos (hidrógeno-1 y oxígeno-16) son más volátiles que aquellas constituidas por isótopos pesados (hidrógeno-2 y oxígeno-18), por lo que el vapor de agua formado en la evaporación de los océanos contiene una fracción menor de de hidrógeno-2 y oxígeno-18 que el agua del mar donde se origina. Como consecuencia de esto, lluvias sucesivas de un mismo vapor de agua original contendrá cada vez menos isótopos pesados. Estas diferencias se pueden medir, y los resultados se usarán para determinar el origen del agua en los acuíferos, identificar conexiones entre lagos y aguas subterráneas, etc.
Otro proceso natural que cambia la composición isotópica del agua es la condensación del vapor en diferentes temperaturas y altitudes (el contenido isotópico pesado disminuye con la altura). Esto es muy útil ya que permite identificar la zona de donde proviene el agua de un depósito. Las variaciones observadas son de un 0.3%de disminución de oxígeno-18 y 2.5% de disminución de hidrógeno-2, por cada 100 metros de aumento en la altitud del lugar dónde se produce la condensación.
Medicina
Un claro ejemplo de esto es la Gammagrafía:
es una prueba diagnóstica que se basa en la imagen que producen las radiaciones generadas tras la inyección o inhalación en el organismo de sustancias que contienen isótopos radiactivos. La emisión radiactiva es captada por un aparato detector llamado gamma-cámara el cual procesa los datos recibidos que posteriormente y mediante tratamiento informático servirán para formar una imagen tridimensional. La captación diferencial de dichas sustancias por las distintas células o tejidos permite distinguir zonas de diferente perfusíón o captación. Las bases del estudio gammagráfico radican en la utilización de radiotrazadores (o radiofármacos) y el posterior registro de la distribución de éstos en el organismo mediante sistemas de detección. Los radiotrazadores poseen una doble naturaleza; por una parte la molécula posee características que hacen que se distribuya por el organismo de forma específica, pero son los isótopos radiactivos emisores gamma los que permiten su detección, y por tanto la puesta en evidencia del resultado de los procesos que hacen que esta sustancia se deposite en distintas localizaciones.
Las gammagrafías son principalmente de dos tipos, gammagrafía con talio-201 y tecnecio-99 unido a pirofosfato. Las primeras se pueden realizar en reposo o en combinación con la prueba de esfuerzo. Puesto que el talio-201 se distribuye por el músculo cardíaco en proporción directa con la cantidad de sangre que le llega, se utiliza principalmente para estudiar la existencia de zonas de isquemia (escaso aporte de sangre al corazón) que pueden producir una angina de pecho o un infarto agudo de miorcadio.
Sin embargo el tecnecio-99 unido a pirofosfato se distribuye exclusivamente por el tejido cardíaco muerto tras un infarto y la repercusión que tiene sobre las funciones del corazón.
La fuente más conocida y más amplia es la aplicación médica. Innumerables son los beneficios que reporta el uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos.
Minería
En minería es habitual el uso del perfil de radiación gamma para: